3. Nemfémes szerkezeti anyagok és bevonatok vizsgálata
3.4. Polikristályos gyémánt bevonatok súrlódó felületi rétegének vizsgálata
3.4.3. A polikristályos gyémántbevonatok Raman vizsgálata
A kopásvizsgálatoknál használt, félgömb végő hengeres próbatestek Raman spekturmát részben a Mulhouse-i ICHSI-ben (Dr. Marjorie Schmitt), részben az MTA SZFKI-ban (Dr.
Veres Miklós) mérték, a spektrumok kiértékelését én végeztem. Az alkalmazott gerjesztı fényforrás mindkét esetben 488 nm hullámhosszúságú Ar-ion lézer volt.
A polikristályos gyémánt egy kompozit anyag, amelyben a gyémántszemcséket egy amorf fázis köti össze. Így a görbeillesztés során az alábbi hullámszámú sávokat vettem figyelembe:
- gyémánt (1333 cm-1),
- amorf karbon (D és G csúcsa, ~1350 és 1580 cm-1),
- a gyémánt sávját (1333 cm-1) kísérı, nano- vagy hexagonális kristályosodású gyémánt, vagy a gyémántkristály felületén lévı sp2 hibridizációjú transzpoliacetilén láncok jelenlétére utaló sávok (~1150, ~1450 és ~1524 cm-1).
A mért spektrumokra való görbeillesztés a fenti azonosítható 4 (esetenként 5) csúcs figyelembevételével, Lorentz-függvények segítségével sikerült, így az illesztett görbék alakja eltér az amorf karbon anyagok megszokott görbéitıl. A görbék mindig csak az adott bevonat (próbatest) esetében hasonlíthatók össze egymással (koptatás elıtt - koptatás után), mert amint a mikroszkópi felvételek mutatják, az azonos orientáltságú bevonatok között helyenként jelentıs eltérések tapasztalhatók.
Az 50-60. ábrákon mutatom be a különbözı hıfokon és különbözı terhelés mellett végzett súrlódás vizsgálatok gyémántbevonattal ellátott próbatesteinek Raman spektrumait. Az ábrák csoportosíthatósága és jobb áttekinthetısége érdekében a görbeillesztés eredményeit a görbékkel együtt tüntettem fel. Külön ábrán hasonlítottam viszont össze az illesztett görbéket egymással, ezekbıl a változások jellege jobban követhetı.
a. b.
c. d.
50. ábra. Polikristályos gyémánt bevonatú próbatest Raman spektrumai (20°C, 2 N) (a - koptatás elıtt, b - koptatás után, c - illesztett görbék együtt, d - bevonat a koptatás elıtt) A bevonat kiinduló állapotában (50/a.) mikrokristályos gyémánt, a polikristályos szerkezetre utaló 1450 cm-1 sávval. A súrlódási igénybevétel hatására a spektrum 1 cm-1 értékkel a kisebb hullámszámok felé tolódott el, amelybıl a bevonatban lévı maradófeszültségek csökkenésére lehet következtetni. A ~1150 cm-1 csúcs eltolódása a súrlódás utáni spektrumban a gyémántkristályok felületén lévı győrők és láncok átrendezıdésére utal.
a. b.
c. d.
51. ábra. Polikristályos gyémánt bevonatú próbatest Raman spektrumai (20°C, 5 N) (a - koptatás elıtt, b - koptatás után, c - illesztett görbék együtt, d - bevonat a koptatás elıtt) A nagyobb terhelés hatására az amorf karbon sávok intenzitása megnıtt (51. ábra), amibıl a bevonat lokális amorfizációjára következtethetünk. Nem változtak viszont szignifikánsan a gyémánt és a D csúcs hullámszámai. A súrlódási igénybevétel hatására megerısödött a spektrumban a gyémánt sávját kísérı, a gyémántkristály felületén lévı sp2 hibridizációjú transzpoliacetilén győrőkre utaló sáv is.
a. b.
c. d.
52. ábra. Polikristályos gyémánt bevonatú próbatest Raman spektrumai (200°C, 2 N) (a - koptatás elıtt, b - koptatás után, c - illesztett görbék együtt, d - bevonat a koptatás elıtt) A nagyobb hımérsékleten végzett vizsgálatok során kapott spektrumokkal (52. ábra) kapcsolatban megállapítható, hogy terhelés hatására az amorf karbon intenzitása lecsökkent, megjelent a spektrumban a gyémánt sávját kísérı, a gyémántkristály felületén lévı sp2 hibridizációjú transzpoliacetilén láncokra utaló csúcs, továbbá a súrlódási igénybevétel hatására a csúcsok nagy része a kisebb hullámszámok felé tolódott el (1337→1334 és 1475→1473 cm-1). Ez utóbbi arra enged következtetni, hogy a nagyobb üzemi (súrlódási) hımérséklet hatására a bevonat növekedésébıl származó maradófeszültségek egy része leépült.
a. b.
c. d.
53. ábra. Polikristályos gyémánt bevonatú próbatest Raman spektrumai (200°C, 5 N) (a - koptatás elıtt, b - koptatás után, c - illesztett görbék együtt, d - bevonat a koptatás elıtt) Hasonló jelenség figyelhetı meg 200°C-on, 5 N normálerı mellett végzett vizsgálatok után is (8. ábra). A spektrum a kisebb hullámszámok felé tolódott el (1334 →1333 cm-1, ill.
1475→1466 cm-1). Az eltolódás mértéke nagyobb volt, mint a 2 N normálerı esetében. Az eltolódással együtt ebben az esetben is megjelent az 1140 cm-1 csúcs is, valamint jelentısen megnıtt a D sáv félértékszélessége. Ezekbıl arra következtethetünk, egyrészt, hogy a bevonatban a maradófeszültség lecsökkent, másrészt, hogy a vizsgált pontban a polikristályos gyémánt bevonat kristályos rendezettsége is csökkent.
a. b.
c. d.
54. ábra. Polikristályos gyémánt bevonatú próbatest Raman spektrumai (200°C, 7 N) (a - koptatás elıtt, b - koptatás után, c - illesztett görbék együtt, d - bevonat a koptatás elıtt) Az 54. ábra mért és az illesztett görbéi között látható különbség görbeillesztési hiba. Ha a gyémánt hegyes csúcsára illesztjük a görbét, akkor a többi csúcs nem lesz értékelhetı, ha pedig mért spektrum összes csúcsát ki akarjuk értékelni, akkor a hegyes csúcsot nem követi az illesztett görbe. A számszerő adatokból látható, hogy a 200°C-os hımérséklet hatására a súrlódásvizsgálat után kapott spektrum ebben az esetben is a kisebb hullámszám felé tolódott (1334 →1331 cm-1, ill. 1468→1461 cm-1), ami a maradófeszültségek leépülését jelzi. A terhelés növelésének hatására elıször jelent meg a koptatott bevonat spektrumában a grafit G csúcsa, ami a vizsgált környezet kismértékő grafitizálódására utal.
a. b.
c.
d.
55. ábra. Polikristályos gyémánt bevonatú maró váltólapka Raman spektrumai (a - koptatás elıtt, b - koptatás után, c - illesztett görbék együtt, d - bevonat a forgácsolás
után)
A spektrumokból és a SEM felvételrıl is látható (55. ábra), hogy kereskedelmi váltólapka bevonatában jelentıs a gyémántszerő amorf karbon mennyisége, nem olyan jó minıségő polikristályos gyémánt, mint az elızı bevonatok. Mindkét spektrumban (55/a és 55/b ábrák) látható a D sáv a gyémánt csúcsának lábánál, de mivel a gyémánt csúcs túl intenzív, a görbeillesztés során nem sikerült a két csúcsot külön választani. A forgácsolási igénybevétel hatására a bevonat kismértékben amorfizálódott és a szerszám csúcsának környezetében lepattogzott.
Amint az 50-55. ábrákból látható és az eredmények összefoglalásából is kiderül, a polikristályos gyémánt bevonatok esetében a bevonat szerkezeti változását (a bevonat lokális grafitizációját) csak egy esetben, a vizsgálatok során alkalmazott legnagyobb súrlódási igénybevétel (200°C tárcsahımérséklet és 7 N normálerı) hatására lehetett egyértelmően kimutatni. A spektrumok kismértékő eltolódását viszont mindegyik esetben megfigyelhettük.
A spektrumoknak a kisebb hullámszámok irányába való eltolódásából a bevonatokban a bevonatkészítés során kialakuló rugalmas maradófeszültségek leépülésére lehet következtetni.
Ismert, hogy a polikristályos gyémánt bevonatokban csak kötéshossz változással járó
rugalmas alakváltozás ébredhet és ez alakváltozás egyenesen arányos a mérhetı
Ezzel a bevonatban ébredı rugalmas maradófeszültség kiszámítható:
E
Az 50-55. ábrákon szereplı görbeillesztési adatokkal kiszámolt maradófeszültségeket a 4.
táblázat tartalmazza.
Próbatest (tő) Súrlódásvizsgálat elıtt Súrlódásvizsgálat után
T [°C] FN [N] ω [cm-1] σres[MPa] ω [cm-1] σres[MPa] Változás [%]
4. táblázat. A görbeillesztési adatokkal kiszámolt maradófeszültségek
A 4. táblázat számértékeinél a görbeillesztés tőrését nem vettem figyelembe, a középértékekkel számolt eredmények viszont jól mutatják azt a tendenciát, amit a spektrumok értékelésénél már elıre lehetett sejteni. A bevonat hımérsékletének növelésével a maradófeszültségek leépültek (a legnagyobb vizsgált terhelés esetében elıjelet is váltott).
Nem ismeretes viszont az alakváltozás mechanizmusa, hiszen a súrlódásvizsgálat után az egyensúlyi hımérséklet ismét a szobahımérséklet volt, tehát a különbözı hıtágulási tényezık miatt a maradófeszültségi állapotnak vissza kellett volna állnia az eredeti állapotba. Mérési, ill. számítási eredményeink viszont megegyeznek azzal az iparban alkalmazott gyakorlattal, miszerint az elkészült gyémánt bevonatokat a bevonatolás után lézerrel hıkezelik a belsı feszültségek csökkentése érdekében [89]. A hıkezelés hatására feltételezhetıen az amorf karbon bevonatoknál leírt alakváltozási mechanizmus játszódhat le az egyes kristályok között a gyémántréteg és a szubsztrátum átmeneti (interfész) rétegében.
A mérési eredményekbıl számított maradófeszültség két komponensbıl tevıdik össze, a kristályok növekedése, ill. a bevonat és a szubsztrátum különbözı hıtágulása miatt fellépı feszültségekbıl. Irodalmi közlések alapján ismert, hogy a kristálynövekedésbıl származó nyomófeszültség maximum 30%-a a bevonat és a szubsztrátum hıtágulásának különbségébıl adódó feszültségnek [87]. Ha feltételezzük, hogy a bevonatban ébredı maradófeszültségek akkor épülnek le teljesen, ha a súrlódási hı okozta hımérséklet emelkedés hatására kialakuló
hıfeszültségek a mérési eredményekbıl számított maradófeszültséggel egyenlık lesznek, akkor ki tudjuk számítani a gyémánt bevonat optimális üzemi hımérsékletét:
( )
Az összefüggésben: E - a gyémánt rugalmassági modulusa, ν - a gyémánt Poisson-tényezıje, ∆α = αszubszt - αbevonat,
∆T = Tbevonatolás - T0.
Behelyettesítve a bevonat, a szubsztrátum és a technológia jellemzı számértékeit (∆T=700°C, αWC=4,6·10-6 1/°C, αdiam=2,5·10-6 1/°C, νdiam=0,07, Ediam=11,43·105 MPa) a (3) összefüggésbe, a 2. táblázatban szereplı maradófeszültségek függvényében az optimális hımérséklet tartomány 320...945°C-ra adódik. A bevonat képzıdés hımérsékletével azonos nagyságrendő értékek arra engednek következtetni, hogy a polikristályos gyémántbevonatok tönkremenetele alapvetıen nem a súrlódás során keletkezı hı hatására fog bekövetkezni.
3.4.4. A gyémántbevonatok terhelhetıségének vizsgálata a numerikus szimuláció módszerével A fentiek alapján belátható, hogy a gyémántbevonatok esetében - a DLC bevonatokkal ellentétben - nem a bevonat alakváltozóképessége, hanem a feszültségi állapota fogja a bevonat terhelhetıségét korlátozni. A súrlódás közben kialakuló feszültségi állapot jellegét nagymértékben befolyásolja a kezdeti maradófeszültségi állapot, amelyre viszont a súrlódás során keletkezı hı jótékony hatást gyakorol. A hımérsékletnek, valamint a normál terhelésnek a bevonat szilárdságára gyakorolt hatását a MARC szoftverrel végzett, végeselemes feladatmegoldáson alapuló, numerikus szimulációval is vizsgáltam 56. ábra).
56. ábra. A tő-korong súrlódásvizsgálat 3D modellje
A geometriai modellalkotás részletes leírása korábbi publikációinkban megtalálható [90-92].
A modellalkotás elsı lépéseként 3D felületi érdességmérıvel lemértük a gyémánt bevonat felületének topográfiáját (57/a. ábra), majd a kapott pontfelhıvel NURBS felületet definiáltunk (57/b. ábra).
a. b.
57. ábra. A polikristályos gyémántbevonat topográfiája (a) - a mérési pontok összekötése paramétervonalakkal (b) - a pontfelhı segítségével generált felület árnyékolt képe
Az így kapott felületet segítségével a tő végeselemes modelljének felülete a gyémántbevonat karakterisztikus érdességi topográfiáját tartalmazza (58. ábra). A felületgeneráláshoz felhasznált paramétervonalak közötti távolság (20 µm) megegyezik a bevonathoz használt elemek szélességi-hosszúsági méretével, a bevonatot és a Co-szegény határréteget egy-egy elemsor alkotja. A modellalkotásnál figyelembe vehetı térfogatok méreteit a számítások során még kezelhetı maximális elemszám korlátozta.
a. b.
58. ábra. A tő (a) és a súrlódásvizsgálat (b) végeselemes modellje
A numerikus modell definiálásához használt anyagjellemzıket a 5. táblázat tartalmazza.
WC keményfém 5. táblázat: a tő-korong súrlódásvizsgálat numerikus szimulációjánál használt
anyagtulajdonságok [93,94]
A végeselemes analízis során a bevonat felületének topográfiája minden modellnél azonos maradt, a bevonat maradófeszültségi állapotát viszont, mint kezdeti feltételt, a 4. táblázatnak megfelelıen, minden vizsgálat szimulációjánál újra definiáltam.
A numerikus analízis során a 2, 5, 7 és 10 N normálerı a tőt terhelte. A tárcsa főtött, alsó felületének hımérséklete (20, ill. 200°C) állandó volt. A tárcsa 1 teljes körülfordulást 360 lépésben tett meg. A hıáram a tárcsától kiindulva, a tárcsán belül hıvezetéssel, a tárcsa és a gyémántbevonat között súrlódásos hıátadással, a gyémánbevonat, a Co-szegény határréteg és a tő alaptest között (ragasztott elemkapcsolatot feltételezve) érintkezéses hıátadás útján terjedt. A környezeti hıátadástól a számítások során eltekintettem.
A számítási eredményeit egyrészt a bevonat felületén ébredı egyénértékő feszültség, másrészt a szegény WC-határrétegben ébredı csúsztatófeszültség szempontjából étékeltem. A Co-szegény WC határréteg határállapoti feszültségértékeit a 59/b. ábrán látható diagram alapján határoztam meg.
a. b.
59. ábra. WC keményfémek fizikai tulajdonságai (a) és megengedett hajlítófeszültsége (b) a Co-tartalom fügvényében [93]
A Co-szegény határrétegben ébredı csúsztatófeszültség határértékét, pontosabb adatok hiányában, az ismert összefüggéssel becsültem meg:
3
krit /
krit σ
τ = (20) ahol: σkrit =σf- a határréteg hajlítószilárdsága.
A gyémántbevonat határfeszültségét a vékony polikristályos gyémántréteg megengedhetı nyomófeszültségével (6900 MPa) vettem egyenlınek [94]. A számítási eredményeket a normálerı függvényében ábrázoltam (60. ábra).
a. b.
c. d.
60. ábra. A végeselemes szimuláció eredménye
(a) - a gyémántbevonat súrlódó felületén kialakuló feszültségcsúcs (5 N; 20oC; 12. inkr.) (b) - a gyémántbevonat felületén ébredı feszültségmaximum a normálerı függvényében (c) - a Co-szegény határrétegben ébredı csúsztatófeszültség (7N, 200oC, 8. inkrementum) (d) - a Co-szegény határrétegben ébredı csúsztatófeszültség maximális értéke a normálerı függvényében.
A 60/b és 60/d ábrákon bejelöltem a 20, ill. 200°C hımérséklethez tartozó tönkremeneteli határokat. Az ábrából jól látható, hogy a numerikus analízis eredményei alátámasztják a Raman analízisek eredményei alapján tett feltételezésünket, miszerint a súrlódási hımérséklet növelésével a bevonat feszültségi állapot kedvezıbbé válik, ezzel a bevonat terhelhetısége is megnı. A numerikus analízis további érdekes eredményt is adott. Az ábrákból látszik, hogy a Co-szegény keményfém határrétegben ébredı csúsztatófeszültség szobahımérsékleten nagyjából ugyanannál a normálerınél éri el a megengedhetı határértéket, amelynél a gyémánt bevonatban ébredı egyenértékő feszültség is a határértékéhez közelít. 200°C-on a számítások szerint a törés elıbb következik be a gyémánt bevonatban, mint a határrétegben.
3.4.5. A polikristályos gyémántbevonat vizsgálatával kapott új eredmények
A polikristályos gyémántbevonatok Raman-analízisének legfontosabb eredménye, hogy kísérletileg is ki lehetett mutatni a bevonat maradófeszültségeinek leépülését a hımérséklet növekedésének függvényében. Ezt követıen a tő-korong vizsgálat végeselemes szimulációjával igazolható volt, hogy a polikristályos gyémánt bevonat terhelhetısége a bevonat üzemi hımérsékletének függvényében nı, mivel a hımérséklet növelésével a hıtágulásból eredı maradófeszültségek lecsökkennek. Mind a kísérletek, mind a numerikus vizsgálat azt támasztották alá, hogy a polikristályos gyémánt bevonatok tönkremenetelét nem szerkezeti változások, hanem a bevonat mechanikai igénybevételének következtében bekövetkezı lepattogzás okozza.
4. Fémes súrlódó felületek felületközeli rétegének vizsgálata
A súrlódó felületek megnövekedett alakváltozó képessége, valamint a felületközeli réteg szerkezetváltozásai már régóta ismert jelenségek, teljes körő magyarázatukkal viszont mind a mai napig adósok még a tribológusok.
Példaként a 61. ábra mutatja be kis széntartalmú acél nagy hidrosztatikus nyomás melletti csúszó súrlódása során a felületi alakváltozásának és a felületközeli réteg kialakulásának fázisait. A 61/a. képen a ferrit és perlit szemcsék nagymértékő nyúlása és a csúszásirányába való orientálódása látható. A 61/b. képen a képlékeny folyás állapotában lévı fém a felület mentén örvénylik, de a szemcsék nyúlása még követi a mozgás irányát. A 61/c. képen a szemcsék felaprózódása figyelhetı meg, a felaprózódott szemcsék és a tömbi anyag szemcséinek orientációja már különbözı. A 61/c. képen látható, hogy a felaprózódott szemcsékbıl egy új, az alapfémtıl különbözı szemcseszerkezető, ún. maratási fehérréteg réteg alakult ki.
a. b.
c. d.
61. ábra. Kis széntartalmú, normalizált állapotú acél súrlódó felületközeli rétegének kialakulása nagy nyomás alatti csúszó súrlódás során (Jean-Pierre Petitet vizsgálatai,
Laboratoire d'Ingénierie des Matériaux et des Hautes Pressions, Université Paris 13;
Berke Péter felvétele)
Korábban a felületközeli réteg megnövekedett alakváltozó képességét a szemcseszerkezet felaprózódásával kialakult, amorfnak vagy nanokristályosnak nevezett réteg létrejöttének tulajdonították [95-99]. A szemcsék felaprózódása a súrlódás irányába rendezıdött, elvékonyodott szemcsékbıl, új szemcsehatárok vagy szubszemcsék kialakulásával, finomszemcsés szerkezetet eredményez. Megállapították, hogy azoknál a fémeknél mutatható ki ez a nagymértékő elvékonyodással járó alakváltozás, amelyek rétegzıdésihiba-energiája nagy (pl. titán) [99]. Ugyanakkor azoknál a fémeknél, amelyek alakváltozási mechanizmusa alapvetıen ikresedésen alapul (pl. magnézium), a felületközeli réteg ilyen jellegő alakváltozása nem következik be [100].
Azoknál a fémeknél, amelyek esetében a súrlódás és a felületközeli réteg alakváltozása során felszabaduló hı az alakváltozott térfogat hımérsékletét legalább az adott fém olvadáspontjának 40%-ig emeli, a megfelelı mértékben képlékenyen alakváltozott szemcsék újrakristályosodnak [101].
62. ábra. A dinamikus rekrisztallizáció aktivációs görbéje [102]
A rekrisztallizáció aktivációs görbéje (62. ábra) a fajlagos alakváltozás - homológ hımérséklet által határolt területet képletesen három tartományra osztja. Amennyiben a lokális hımérséklet nem éri el a 0,4·Tolv hımérséklet, az alakváltozás bármekkora lehet, rekrisztallizáció nem következik be. A 0,4·Tolv<T<Tolv hımérséklettartományban a rekrisztallizáció mindenképpen bekövetkezhet, csak az alakváltozás és aktiválási hımérséklet összetartozó értékei változnak rendkívül érzékenyen. A harmadik zónában (T>Tolv) az alakváltozás már nem játszik szerepet, az újrakristályosodás helyett fázisátalakulás, a lehőlés során pedig primer kristályosodás megy végbe. A súrlódási igénybevétel hatására tehát a felületközeli réteg egyaránt tartalmazhat megújult (torzulás- és feszültségmentes), valamint alakváltozott (torzult és belsı feszültséggel terhelt), de termikusan még nem aktivált szemcséket, aminek következtében a felületközeli rétegben a repedést (részecskeleválást) elısegítı epitaxiális feszültségek is felléphetnek.
Azoknál a fémeknél, amelyek olvadási hımérséklete elegendıen nagy ahhoz, hogy a súrlódási és a felületközeli réteg alakváltozása során felszabaduló hı nem okoz akkora hımérséklet emelkedést, amely elegendı lenne a szemcséken belüli nukleációs folyamatok aktiválására, a felületközeli réteg szemcsefinomodása a szemcsék cellásodásával, szubhatárok kialakulásának következtében jöhet létre. A nagy rétegzıdésihiba-energia a nukleáció megindulását késlelteti.
A felületközeli réteg szerkezetének változása megvalósulhat fázisátalakulással is [103].
Példaként erre az ausztenites acélok alakváltozott szemcséinek martenzites átalakulását szokták felhozni [104], de megfigyelhetı ez a jelenség ötvözött acélok [105] és öntöttvasak esetében is [106].
A súrlódási igénybevétel által indukált fázisátalakulás legismertebb formája a maratási fehérréteg kialakulása ("white etching layer", nevét onnan kapta, hogy nem reagál az acélokhoz alkalmazott Nital marószerre, a mikroszkópi képen ez a réteg fehér színő marad).
A fehérrétegrıl ma már tudjuk, hogy egy dinamikus rekrisztallizáció eredményeként kialakult, a cementit dekarbonizációja (mechanikai energia hatására történı elbomlása) következtében karbonban túltelített, nanoszemcsés, térközepes köbös ferritbıl áll [107]. A
fehérréteg egyik sajátos megjelenési formáját ismerték fel erısen ötvözött acélokban.
Fáradtan tört, nagyterheléső gördülıcsapágy győrők futófelülete alatti, erısen alakváltozott rétegben, a repedések kiindulásánál különleges alakzatokat figyeltek meg [108]. Alakja alapján "butterfly"-nak nevezték ezt a képzıdményt (ami nem tévesztendı össze a csapágygolyók törését okozó maradék ausztenit martenzites átalakulásával), amely majd 30 éven keresztül állt a tribológusok és anyagtudósok érdeklıdésének középpontjában [109-111].
Mint ismeretes, ez a ciklikus igénybevétel hatására a gördülıcsapágy martenzites szerkezetében kialakult különleges, tő alakú ferrit elsısorban a nemfémes zárványok és a karbidok körül képzıdik a maximális Hertz-féle nyírófeszültség tartományában [110].
Szerkezetérıl kiderült, hogy finomszemcsés, átalakult fázis (fehérréteg), amely hıhatás nélkül, tisztán mechanikai energia felhasználásával képzıdik a váltakozó Hertz-feszültség hatására [113]. Kialakulásának okai között a jelentıs diszlokációsőrőség növekedést, a hidrosztatikus feszültségkomponens jelenlét és a szénatomok kisebb feszültségő helyek felé történı migrációját említik [114].
A legújabb kutatások szerint a fehérréteg kialakulásában az alakváltozás mértékén kívül szerepet játszik még az alakváltozás sebessége, a nyomás és a hımérséklet-változás sebessége. A fehérréteggel kapcsolatos legújabb kutatások pedig azt mutatják, hogy a mechanikai igénybevétel által okozott fázisátalakulás még egy paramétertıl, az igénybevétel intenzitásától (idıbeli lefolyásától) is függ [115]. Megállapították továbbá, hogy a súrlódó felület oxidációjának és a fehérréteg kialakulásának mértéke összefügg egymással [116].
A TTS- (Tribological Transformed Structure), újabb javasolt nevén MMS- (Mechanically Modified Structure [117]) -képzıdés, legalább is annak elsı fázisai, a klasszikus szilárdtest-fizikai, fémfizikai és termodinamikai jelenségek, ill. összefüggések segítségével magyarázhatók és megérthetık. Ma már a kutatók között egyetértés kezd mutatkozni abban is, hogy a súrlódó felületnek a tömbi anyagtól jelentıs mértékben eltérı szerkezeti és tulajdonságbeli változásait a felületközeli réteg nagymértékő alakváltozása indukálja (az alakváltozással felszabaduló hı a változás irányát jelöli ki), miközben az alakváltozó képességet a termodinamikai állapottényezık (hımérséklet, nyomás és alakváltozási sebesség) határozzák meg, közülük is alapvetıen a feszültségi állapot hidrosztatikus nyomáskomponense [118].
Fehérréteg kialakulását a gyakorlatban eddig csak gördülı súrlódásnál (pl. vasúti sínek, ill.
gördülıcsapágyak esetében nagy igénybevételi szám elérése után [119-120]), valamint forgácsolásnál a forgácstı környezetében mutatták ki. A jelenség laboratóriumi körülmények közötti reprodukálásához az igen nagy alakváltozással járó technológiai vizsgálatokat (pl.
nagy nyomás alatti csavarás, golyósmalomban való szemcsealakítás), ill. a kis amplitúdójú, de nagy felületi terheléső rezgı súrlódás (fretting) vizsgálatokat alkalmaznak [121-126]. Ezek a vizsgálatok az alakváltozás mechanizmusát tekintve azonos, de a peremfeltételek tekintetében extrém és nem valós feltételek között kényszerítik az anyagot alakváltozásra, így nehéz a reális kapcsolatukat megtalálni a tribológiai igénybevétel által okozott változásokkal.
A súrlódás közben kialakult szerkezeti változások azonosítása és ellenırzött körülmények közötti reprodukálhatósága érdekében összehasonlító vizsgálatsorozatot végeztem. Járulékos hidrosztatikus nyomás mellett alakítástechnikai vizsgálatokkal határoztam meg az anyagok feszültségi állapottól függı alakváltozó képességét, miközben megpróbáltam a járulékos hidrosztatikus nyomásnak az alakváltozás mechanizmusára kifejtett hatását is vizsgálni. Ezzel párhuzamosan fémes súrlódó felületek felületközeli rétegének változásait elemeztem, és
megpróbáltam kapcsolatot találni az alakítástechnikai vizsgálatok próbatesteinél és a súrlódó felület esetében kimutatható változások között.
4.1. Elızetes vizsgálatok
A felületközeli réteg megnövekedett alakváltozó képességével kapcsolatos kérdésekre egyrészt a számítástechnika fejlıdése által lehetıvé tett súrlódási folyamatok numerikus szimulációja [127, 128], másrészt egy 1995-ben publikált Johnson-cikk irányította ismételten a figyelmet [129]. Az érintkezések rugalmas-képlékeny analízisébıl kiinduló, súrlódási és kopási folyamatokat szimuláló végeselemes számításokhoz elengedhetetlenül szükség volt a felületközeli réteg viselkedését leíró anyagtörvényre [130]. Már az elsı számítások során bebizonyosodott, hogy a hagyományos vizsgálatokkal meghatározott folyásgörbe erre a célra alkalmatlan, mivel nem tudja sem leírni, sem vezérelni a nagy alakváltozásra képes elemek viselkedését. Johnson sejtése nyomán, miszerint a súrlódó felületek nagymértékő alakváltozó képességéért feltehetıen az érintkezésnél fellépı hidrosztatikus nyomáskomponens felelıs, -
A felületközeli réteg megnövekedett alakváltozó képességével kapcsolatos kérdésekre egyrészt a számítástechnika fejlıdése által lehetıvé tett súrlódási folyamatok numerikus szimulációja [127, 128], másrészt egy 1995-ben publikált Johnson-cikk irányította ismételten a figyelmet [129]. Az érintkezések rugalmas-képlékeny analízisébıl kiinduló, súrlódási és kopási folyamatokat szimuláló végeselemes számításokhoz elengedhetetlenül szükség volt a felületközeli réteg viselkedését leíró anyagtörvényre [130]. Már az elsı számítások során bebizonyosodott, hogy a hagyományos vizsgálatokkal meghatározott folyásgörbe erre a célra alkalmatlan, mivel nem tudja sem leírni, sem vezérelni a nagy alakváltozásra képes elemek viselkedését. Johnson sejtése nyomán, miszerint a súrlódó felületek nagymértékő alakváltozó képességéért feltehetıen az érintkezésnél fellépı hidrosztatikus nyomáskomponens felelıs, -